JP4585990B2 - 導波型光回路 - Google Patents

Description

本発明は、光通信システムの基本素子として重要な導波型光回路に関する。

インターネットや映像分配など様々なネットワークサービスの需要を背景に、大容量通信が可能な光ファイバ網が各家庭まで浸透しつつある。このような光通信システムを廉価に柔軟に運用するためには、光を電気に変換しないで光のまま切り替えたり、分配したりする光部品が重要である。導波型光回路では、複数の光分岐結合回路を容易に組み合わせることができるので、多様な機能を実現できる。特に石英系ガラスで形成される導波路構造を有する導波型光回路は、量産性や信頼性に優れ、光ファイバとの整合性が良いので、各種の光通信システムに使用されている。

図１４に光アクセス網で光信号を分配する導波型光回路である４分岐光スプリッタの構造を示す。図１４（Ａ）はその平面図である。図１４（Ｂ）中の左図は、図１４（Ａ）の切断線ＢＢ′で切断した断面図であり、図１４（Ｂ）中の右のグラフは左図の切断線ＣＣ′での屈折率分布を示す特性図である。図１４（Ｃ）は、縦列して配設される２つのＹ分岐回路間（図１４（Ａ）の切断線ＰＱ）で切断した断面図である。

この例の４分岐光スプリッタは、１入力２出力の光分岐結合回路であるＹ分岐回路を縦列に接続して構成される。すなわち、点Ｐに配置されたＹ分岐回路２１の２本の出力導波路である分岐導波路と後段の点Ｑ，Ｑ´にそれぞれ配置されたＹ分岐回路２２，２３の入力導波路が接続される。各Ｙ分岐回路２１〜２３は、導波路のコア１４の幅を２倍程度に広げたテーパ部に、２本の分岐導波路２５となるコアを接続して、構成される。このＹ分岐回路をツリー状にＮ段（Ｎは１以上の整数）に縦列接続することにより、２^Ｎ分岐の光スプリッタが構成される。

一般的に、導波路型光回路は小さい方が、生産性が良いため望まれる。そこで、光分岐結合回路を縦列接続して構成された導波型光回路では、前後の光分岐結合回路間の距離は所望の機能が達成できる範囲で、できるだけ短い方が望ましい。また、光分岐結合回路の中心軸と前後の光分岐結合回路を結ぶ直線がなす角（鋭角）は小さい方が望ましい。図１４（Ａ）に示す４分岐光スプリッタの例で説明すると、Ｙ分岐回路２１の中心軸と線分ＰＱがなす鋭角θ１、Ｙ分岐回路２２の中心軸と線分ＰＱがなす鋭角θ２は、０（ゼロ）に近い方が望ましい。通常、｜θ１｜≦０．１radおよび｜θ２｜≦０．１radおよび｜θ１＋θ２｜≦０．１radで、線分ＰＱの長さが１０ｍｍ以下とされる。

このような導波型光回路の製造方法を、図１５（Ａ）〜図１５（Ｄ）に示す。

まず、図１５（Ａ）に示すように、下部クラッド１１となる石英ガラス基板上に石英系ガラスでコア層１２が形成される。この石英系ガラスは化学気相堆積法（ＣＶＤ法：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、蒸着法、スパッタ法、火炎堆積法（ＦＨＤ法：Ｆｌａｍｅ Ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）で形成できることが知られている。例えば、ＦＨＤ法では、ＳｉＣｌ_４を主成分とする原料ガスを酸水素雰囲気中で燃焼することにより、石英系ガラスの微粒子が下部クラッド１１上に堆積される。この微粒子を軟化温度以上の高温で焼結することにより、透明な石英系ガラスの層が形成される。原料ガスに、ゲルマニウム（Ｇｅ）やチタン（Ｔｉ）、硼素（Ｂ）、燐（Ｐ）などの塩化物ガスを混合し、ＧｅＯ_２やＴｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、Ｐ_２Ｏ_５の化合物を混ぜることで、石英系ガラスの軟化温度や屈折率が調整される。また、焼結時にＳｉＦ_４ガスを流すことにより、弗素（Ｆ）を混ぜることができる。ＧｅやＴｉ、Ｐは屈折率を高くし、ＢとＦは屈折率を低くする。また、これらの添加物のすべてが石英系ガラスの軟化温度を下げる作用をする。

コア層１２の屈折率は導波路構造となるために下部クラッド１１の屈折率よりも０．２〜５％高く設定される。この値（０．２〜５％）は比屈折率差Δと呼ばれ、
Δ（％）＝（コア層の屈折率−下部クラッドの屈折率）÷コア層の屈折率×１００
・・・式（１）
で計算される。

次に、図１５（Ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー工程を通して回路形状が転写されたエッチングマスク５１がコア層１２の上に形成される。

その後、図１５（Ｃ）に示すように、エッチングマスク５１を保護層にして、回路コア以外の不要なコア層１２がエッチング加工により除去され、コアリッジ５２が下部クラッド１１上に形成される。

最後に、図１５（Ｄ）に示すように、上記のコア層１２の形成の場合と同様の方法を用いて、石英系ガラスでコアリッジ５２を覆うように、上部クラッド１３が下部クラッド１１上に形成される。上部クラッド１３の屈折率はコア層１２よりも低く設定され、下部クラッド１１の屈折率と等しくなるように設定される。

以上のような製造方法を用いることにより、互いに屈折率の等しい下部クラッド１１と上部クラッド１３の中にこれらより屈折率の高いコア１４を配置することが可能となる。このような導波路構造は、対称性が良いので、損失や偏波依存性が小さいという特徴があり、導波型光回路を構成する導波路構造として広く用いられている（特許文献１参照）。

特開平８−２１１２４０号公報 特開２００３−３１５５７６号公報 特開２０００−２４１６４５号公報

前述した導波型光回路において、導波路自体には偏波依存性も無く、光回路特性を劣化させる要因も無い。しかしながら、図１４（Ａ）に示した４分岐光スプリッタのＹ分岐回路２１〜２３は、単純な導波路構造ではなく、光信号を２分配するためにＹ型のコア形状となっている。このようなＹ分岐回路２１〜２３では、分岐部に製造上避けられない隙間があり、そのために２％程度の光パワーが、導波路から散逸して０．１ｄＢ程度の過剰損失が発生する。散逸した光パワーの大部分は、元の導波光の進行方向（Ｙ分岐回路の中心軸）と同方向に広がりながら放射光として、上部クラッド１３と下部クラッド１１内を伝搬してゆく。

このような光スプリッタにおいて、図１４（Ｃ）に示すように、前段のＹ分岐回路２１からの放射光２６が後段のＹ分岐回路２２に再結合し、光スプリッタの分岐特性を劣化させることがある。また、この放射光２６が上部クラッド１３と下部クラッド１１内を伝搬する仕方に偏波依存性があるため、光スプリッタの分岐特性に偏波依存性が発生する。さらに、他の導波型光回路でも、光分岐結合回路での放射光と導波光の結合が問題となる。例えば、後述の詳細な説明の欄で例示する導波型光スイッチでは、前段の方向性結合器からの放射光が後段の方向性結合器に再結合し、スイッチのクロストークを誘発させる。

そして、このような放射光の問題は、特に小型化された導波型光回路で顕著となることが分かった。すなわち、前後の光分岐結合回路が１０ｍｍ以下の距離で配置され、前後の光分岐回路を結ぶ直線と各々の光分岐結合回路の中心軸とがなす角度が０．１rad以下のとき、放射光の問題が顕在化する。

さらに、放射光は、その他の光分岐結合回路、例えば、Ｘ分岐回路や多モード干渉回路などでも発生することが知られている。そのため、Ｙ分岐回路やＸ分岐回路、方向性結合器、多モード干渉回路などの光分岐結合回路を複数配置して構成する導波型光回路においては、後段の光分岐結合回路で放射光が再結合しないことが重要となる。

このようなクラッド内を伝搬する放射光（漏れ光、クラッドモード）は、導波型光回路の入力ポートと光ファイバとの接続不整合で特に発生することが知られている。また、縦列接続する導波型光回路の接続不整合で発生することや導波型光回路内でも発生することが知られている。特許文献２では、Ｙ分岐回路のテーパ部とその直前の導波路の形状を適正に設計することで、Ｙ分岐回路における漏れ光の影響を除去できることが開示されている。しかしながら、この方法は、導波光と漏れ光との干渉を利用するもので、屈折率やコアの形状などの設計値がずれると効果が不十分となり、製造誤差の影響を受けやすいことがわかった。また、特許文献３では、信号が伝搬するコアの横に漏れ光を導波させるコアを配置させることが開示されている。いかしながら、この方法では、漏れ光を導波させるコアから再びいくらかの漏れ光が発生し、効果が不十分であることがわかった。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、その目的は、複数の光分岐結合回路を有していても、後段の光分岐結合回路で放射光の再結合を抑制するように構成することで、再現性良く良好な特性を示す導波型光回路を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明の導波型光回路は、下部クラッドと、該下部クラッドの上面に配設されたコアと、該コアを覆う上部クラッドとで構成された導波路構造を有し、第１と第２の少なくとも２つの光分岐結合回路で構成されている導波型光回路において、前記第１と第２の光分岐結合回路が導波光と放射光が結合する構造を有し、該第１の光分岐結合回路の出力導波路に該第２の光分岐結合回路の入力導波路が接続されており、前記第１の光分岐結合回路の位置を特定する点をＰとし、前記第２の光分岐結合回路の位置を特定する点をＱとし、前記第１の光分岐結合回路の中心軸と線分ＰＱが交差する鋭角をθ１とし、前記第２の光分岐結合回路の中心軸と線分ＰＱが交差する鋭角をθ２とすると、
｜ θ １ ｜ ≦ ０ ． １ r a d および
｜ θ ２ ｜ ≦ ０ ． １ r a d および
｜ θ １ ＋ θ ２ ｜ ≦ ０ ． １ r a d
が成立し、前記線分ＰＱの長さが１０ｍｍ以下であるように、前記第１の光分岐結合回路と前記第２の光分岐結合回路が配置されており、前記第１の光分岐結合回路の放射光が前記下部クラッドを伝搬することにより前記第２の光分岐結合回路で導波光と再結合しないように、前記上部クラッドの屈折率が前記下部クラッドの屈折率よりも低くされていることを特徴とする。

従来技術では、上部クラッドと下部クラッドは等しい屈折率を有し、導波型光回路が複数のＹ分岐回路や方向性結合器などの光分岐結合回路で構成される場合、前段の光分岐結合回路からの放射光が後段の光分岐結合回路に再結合し、導波型光回路の特性を劣化させていた。これに対し、本発明によれば、上部クラッドの屈折率を下部クラッドの屈折率よりも低くすることにより、上部クラッド中の放射光が下部クラッドへ移行する。これは光が屈折率の高い媒体に引き寄せられて伝搬する性質に基づく。さらに、上記特徴の導波路構造では、上部クラッドはコアの上面と両側面を覆い、下部クラッドはコアの下面のみと接する。そのため、下部クラッド中の放射光の影響はコアの下面からのみとなり、放射光が後段の光分岐結合回路に実質的に再結合しなくなる。このため、従来技術では前段の光分岐結合回路からの放射光が届く位置に後段の光分岐結合回路が配置されるような平面図的構成の導波型光回路でも、前段の光分岐結合回路からの放射光が後段の光分岐結合回路に再結合しないので、導波型光回路の特性を劣化させない。

また、前記第１の光分岐結合回路の位置を特定する点をＰとし、前記第２の光分岐結合回路の位置を特定する点をＱとし、前記第１の光分岐結合回路の中心軸と線分ＰＱが交差する鋭角をθ１とし、前記第２の光分岐結合回路の中心軸と線分ＰＱが交差する鋭角をθ２とすると、｜ θ １ ｜ ≦ ０ ． １ r a d および｜ θ ２ ｜ ≦ ０ ． １ r a d および｜ θ １ ＋ θ ２ ｜ ≦ ０ ． １ r a d が成立し、前記線分ＰＱの長さが１０ｍｍ 以下であるように、前記第１の光分岐結合回路と前記第２の光分岐結合回路が配置されていることは、一般的に小型化を考慮して設計された導波型分岐光回路の配置関係を基に、本発明の効果が有効に得られる範囲を規定したもので、通常この規定を超える範囲は放射光の影響が実質上ないことを考慮したものである。

また、前記コアと前記下部クラッドとの屈折率の差（ΔＮＵ）に対する、前記コアと前記上部クラッドとの屈折率の差（ΔＮＯ）の比（ΔＮＯ／ΔＮＵ）が１よりも大きく、かつ１．５以下であることが望ましい。上部クラッドの屈折率が下部クラッドの屈折率よりも低ければ、上部クラッド中の放射光が下部クラッドへ移行する。しかし、上部クラッドの屈折率が下部クラッドより低すぎる場合には、導波路は不要な高次モードが励振されやすくなり、Ｙ分岐回路や方向性結合器など光分岐結合回路でモード変換が起きて、損失が増大する。本発明者は、前記コアと前記下部クラッドとの屈折率の差に対する、前記コアと前記上部クラッドとの屈折率の差の比が１よりも大きく１．５以下である場合、本発明の効果を得ることができることを見出した。さらに、前記コアと前記下部クラッドとの屈折率の差に対する、前記コアと前記上部クラッドとの屈折率の差の比が１．１以上で１．４以下であれば、より望ましい効果を得る。

前記下部クラッドの厚さが２００μｍ以上で、かつ５０００μｍ以下であることが望ましい。この特徴は、放射光を逃がした下部クラッドの厚さに関するものである。下部クラッドが厚いほど、下部クラッド中の放射光は広がるので後段の光分岐結合回路に結合する割合が減少する。下部クラッドに逃げた放射光は下部クラッドの下面で反射され再びコアの方に戻るが、下部クラッドの厚さは２００μｍあれば、放射光は十分広がり後段の光分岐結合回路への再結合は無視できる。下部クラッドを石英ガラス基板のような透明な平板基板で構成すれば、十分に厚い下部クラッドが容易に得られるが、厚すぎる基板は不経済で扱い難く、そのため厚さは５０００μｍ以下が望ましい。

さらに、前記下部クラッドが石英ガラス基板であり、前記上部クラッドに硼素または弗素が添加された石英系ガラスであると、光ファイバとの整合性も良く、信頼性の高い導波型光回路が製造できる。

上記特徴に加え、本発明の導波型光回路の前記第１と第２の光分岐結合回路のうち少なくとも１つは、Ｙ分岐回路、またはＸ分岐回路、または方向性結合器、または多モード干渉回路のいずれかを任意の組合せで少なくとも２段以上で縦列接続して構成された光スプリッタを含む場合、あるいはＹ分岐回路、またはＸ分岐回路、または方向性結合器、または多モード干渉回路を任意の組合せで２ヶ対向させた導波型マッハ・ツェンダー干渉計を含む場合、あるいは前記導波型マッハ・ツェンダー干渉計を用いて構成された導波型光スイッチ、導波型可変減衰器、導波型変調器、導波型波長分別フィルタのいずれかを含む場合には、より実用的な導波型光回路を、従来技術の場合よりも優れた特性で実現することが可能となる。

上記構成により、本発明の導波型光回路は、前段の光分岐結合回路で発生する放射光が平面図的に見て届く位置に後段の光分岐結合回路がある場合でも、上部クラッドの屈折率を下部クラッドの屈折率より低くすることにより、前段の光分岐結合回路で発生する放射光を下部クラッド側に逃がして、後段の光分岐結合回路で放射光が再結合しないようにし、良好な特性の導波型光回路を実現することができる。

以下に、図面を参照して、本発明の導波型光回路について具体的な実施形態を用いて詳述する。

（第１の実施の形態）
図１に本発明の導波型光回路の第１の実施形態である４分岐光スプリッタを示す。図１（Ａ）はその平面図である。図１（Ｂ）中の左図は、図１（Ａ）の切断線ＢＢ′で切断した断面図であり、図１（Ｂ）中の右のグラフは左図の切断線ＣＣ′での屈折率分布を示す特性図である。図１（Ｃ）は、縦列して配設される２つのＹ分岐回路間（図１（Ａ）の切断線ＰＱ）で切断した断面図である。

図１（Ａ）に示す４分岐光スプリッタの平面構造は、図１４（Ａ）に示す従来技術の平面構造と同様である。すなわち、この４分岐光スプリッタは、点Ｐに配置されたＹ分岐回路２１の２本の出力導波路である分岐導波路と後段の点Ｑ，Ｑ´に配置されたＹ分岐回路２２，２３の入力導波路がそれぞれ接続されて、構成される。各Ｙ分岐回路２１〜２３は、コア１４の幅を２倍程度に広げたテーパ部に、２本の分岐導波路となるコアを接続して、構成される。

本実施形態の４分岐光スプリッタの４つの出力導波路は、通信用単一モードファイバとの接続のため、２５０μｍ間隔で配置されている。各Ｙ分岐回路２１〜２３の長さは２．１ｍｍである。前後のＹ分岐回路は、曲率半径１５ｍｍの円弧を２個、点対称に接続して構成したＳ字カーブ導波路で接続されている。

Ｙ分岐回路２１の中心軸と線分ＰＱがなす鋭角をθ１、Ｙ分岐回路２２の中心と線分ＰＱがなす鋭角をθ２とすると（ただし、反時計回りが正）、θ１＝０．０４rad,θ２＝−０．０４radおよびθ１＋θ２＝０radであり、線分ＰＱの長さは６ｍｍである。

図１に示す本実施形態の４分岐光スプリッタの断面構造は、上部クラッド１３の屈折率が下部クラッド１１の屈折率よりも低いことを除いて、図１４（Ｂ）に示す従来技術の断面構造と同様である。すなわち、コア１４は下部クラッド１１上に配置され、上部クラッド１３に覆われる。下部クラッド１１には石英ガラス基板が用いられる。光が伝搬できるように、コア１４は下部クラッド１１の屈折率よりも高い石英系ガラスで形成される。

本発明は、図１（Ｂ）の右のグラフに示すように、上部クラッド１３の屈折率を下部クラッド１１の屈折率よりも低くすることが特徴である。一般に光は屈折率がより高い所を導波するため、図１（Ｃ）に示すように、前段のＹ分岐回路２１から散逸した放射光２６が後段のＹ分岐回路２２に到達しないことになる。その結果、良好な分岐特性の４分岐光スプリッタが実現可能となる。

図２は、図１の４分岐光スプリッタの製造方法を示す。その工程の概略は、図１５に示した従来技術と同様である。ただし、本実施形態では、上部クラッド１３の屈折率を下部クラッド１１の屈折率よりも低くするため、図２（Ｄ）で示す上部クラッド１３の形成過程でＢ_２Ｏ_３の割合を多くしている点が、図１５に示した従来技術と異なる。

まず、下部クラッド１１となる厚さ１０００μｍの石英ガラス基板上に、ＧｅＯ_２が４ｍｏｌ％、Ｂ_２Ｏ_３が１ｍｏｌ％含有する石英系ガラスで、厚さ７μｍのコア層１２が形成される（図２（Ａ））。

前述の式（１）で表される比屈折率差Δは０．４％である。次に、フォトリソグラフィー工程で、４分岐光スプリッタの形状がエッチングマスク５１に転写される（図２（Ｂ））。

このエッチングマスク５１を保護層にして、エッチング加工によりコアリッジ５２が形成される（図２（Ｃ））。

最後に、コアリッジ５２を覆うようにして、Ｐ_２Ｏ_５が２ｍｏｌ％、Ｂ_２Ｏ_３が１４ｍｏｌ％を含有する厚さ３０μｍの石英系ガラスで、上部クラッド１３が形成される（図２（Ｄ））。

コア１４と下部クラッド１１の屈折率の差をΔＮＵ、コア１４と上部クラッド１３の屈折率の差をΔＮＯとすると、本例の４分岐光スプリッタでは、ΔＮＯ／ΔＮＵ＝１．３となる。

また、図２（Ｄ）の後工程が石英ガラス基板や形成済みの石英系ガラスに与える影響を抑えるために、
下部クラッド１１の軟化温度＞コア層１２の軟化温度＞上部クラッド１３の軟化温度
の関係が与えられるように設定される。この軟化温度の関係は従来技術で前述したように添加物の分量を調整することにより達成できる。

図３（Ａ），（Ｂ）に、上記のようにして作製された本実施形態の４分岐光スプリッタの、各出力のポートを透過する光信号の挿入損失と、偏波依存損失（ＰＤＬ）のスペクトルを示す。挿入損失を全出力ポート間で測定波長にわたって平均した値（以下、平均損失と呼ぶ）は、６．３ｄＢであった。全出力ポート間で測定波長にわたる挿入損失の最大値と最小値の差（以下、損失偏差と呼ぶ）は、０．２ｄＢであった。また、全出力ポートの測定波長にわたるＰＤＬの最大値（以下、最大ＰＤＬと呼ぶ）は、０．０９ｄＢあった。

この４分岐光スプリッタに対する第１の比較対照例として、上部クラッド１３の屈折率が下部クラッド１１の屈折率と等しい場合（図１４（Ｂ）参照）の、４分岐光スプリッタの挿入損失およびＰＤＬのスペクトルを図４（Ａ），（Ｂ）に示す。上部クラッド１３はＰ_２Ｏ_５が３ｍｏｌ％、Ｂ_２Ｏ_３が１３ｍｏｌ％の石英系ガラスで形成されている。この場合、平均損失は６．３ｄＢであって、第１の実施形態と同等であるが、損失偏差は０．５ｄＢと第１の実施形態よりも大きいことが分かった。また、最大ＰＤＬも０．２５ｄＢと、第１の実施形態よりも大きいことが分かった。

この比較対照例の光スプリッタでは、図４（Ａ）に示すように、挿入損失スペクトルが短周期で激しくうねっている。これは、図１４（Ｃ）に示すように、前段のＹ分岐回路２１からの放射光２６が主にコア付近の上部クラッド１３内を伝搬し、後段のＹ分岐回路２２，２３に再結合して干渉するためである。さらにその放射光２６が偏波依存性を有しているため、ＰＤＬスペクトルも同様に、図４（Ｂ）に示すように、短周期で激しくうねることとなる。

次に、上述の第１の実施形態に対する第２の比較対照例として、上部クラッド１３の屈折率が下部クラッド１１の屈折率よりも低すぎるΔＮＯ／ΔＮＵ＝１．７の場合の結果を示す。この場合の４分岐光スプリッタの各出力のポートを透過する光信号の挿入損失とＰＤＬのスペクトルを図５（Ａ），（Ｂ）に示している。上部クラッド１３はＰ_２Ｏ_５が１ｍｏｌ％、Ｂ_２Ｏ_３が２０ｍｏｌ％の石英系ガラスで形成されている。最大ＰＤＬは０．１５ｄＢで良好であったが、平均損失は６．８ｄＢ、損失偏差は０．５ｄＢであって、第１の実施形態よりもかなり悪い結果であった。

この光スプリッタでは、図５（Ａ）に示すように、挿入損失スペクトルが緩やかに大きくうねっている。これは、上記のように、上部クラッド１３の屈折率が低すぎるため、Ｙ分岐回路２２，２３において高次モードが発生したためである。さらに断面構造の上下方向の非対称性（図１（Ｂ）参照）が増加し、その結果、Ｙ分岐回路２２，２３に過剰損失が生じ、平均損失が増加している。

次に、屈折率差の比ΔＮＯ／ΔＮＵと平均損失、損失偏差、最大ＰＤＬの関係を調べた結果を図６に示す。図６の白丸は、ΔＮＯ／ΔＮＵ＝０．７， １．０， １．１， １．３， １．５， １．７の６通りの結果を示している。図６（Ａ）〜図６（Ｃ）に示すように、ΔＮＯ／ΔＮＵが１以下では、損失偏差と最大ＰＤＬが非常に大きくなる。また、ΔＮＯ／ΔＮＵが１．５よりも大きい場合には、平均損失と損失偏差が増大する。一方、コア１４と下部クラッド１１との屈折率の差ΔＮＵに対する、コア１４と上部クラッド１３との屈折率の差ΔＮＯの比（ΔＮＯ／ΔＮＵ）が、１よりも大きく、かつ１．５以下である場合には、良好な光スプリッタを得ることができる。その理由は以下の通りである。

ΔＮＯ／ΔＮＵが１以下では、上部クラッド１３の屈折率（ΔＮＵ）が下部クラッド１１の屈折率（ΔＮＯ）と等しいか、またはそれよりも大きいので、コア１４から散逸した放射光２６は下部クラッド１１側に逃げることができない。上部クラッド１３はコア１４の上面と両側面とを覆うので、上部クラッド１３中の放射光は、後段のＹ分岐回路２２，２３と再結合しやすい。そのため、光スプリッタの特性は劣化する。一方、ΔＮＯ／ΔＮＵが１．５よりも大きくなると、断面構造の上下方向の非対称性が非常に大きくなり、導波路は単一モード条件からはずれる。このため、Ｙ分岐回路２２，２３で過剰な損失が発生する。

さらに、下部クラッド１１の厚みの影響を調べるため、本発明者は、厚さが５００μｍ、１０００μｍ、２０００μｍ、５０００μｍの石英基板を下部クラッド１１として、それぞれ、４分岐光スプリッタを製造した。図２におけるコア層１２の厚さは、７μｍ、比屈折率差Δが０．４％、ΔＮＯ／ΔＮＵ＝１．３である。これらの光スプリッタはすべて同様の良特性を示した。５０００μｍよりも厚い石英基板でも同様の特性を示すと予想される。しかし、厚い基板は不経済であり、５０００μｍ以下が望ましい。さらに、本発明者は厚さが３００μｍ、４００μｍの石英基板を下部クラッド１１として、それぞれ、４分岐光スプリッタの製造を試みた。厚さが４００μｍの基板は反りが大きく、損失偏差や平均損失が、厚さ５００μｍ以上の基板の場合よりも、大きかった。厚さが３００μｍの基板は製造過程中に石英基板が破損した。上部クラッド１３と石英基板１１とのガラス組成の差が熱膨張係数の差となり、導波路製造中に熱応力が発生し、薄い基板では反りや破損が生じる。そのため、石英基板（下部クラッド）１１の厚さは５００μｍ以上であって、５０００μｍ以下であることが望ましい。

（第２の実施の形態）
図７は本発明の導波型光回路の第２の実施形態である導波型光スイッチを示す。図７（Ａ）はその平面図である。図７（Ｂ）は図７（Ａ）の切断線ＢＢ′で切断した断面図である。

本実施形態の導波型光スイッチは、前段の光分岐結合回路の２本の出力導波路と後段の光分岐結合回路の２本の入力導波路とをつないだ導波型マッハ・ツェンダー干渉計４３を基本構成とする。本実施形態では、光分岐結合回路として、２本のコア４４，４５を互いに接近させた２つの方向性結合器４１，４２が使用される。この導波型マッハ・ツェンダー干渉計４３の２本の導波路アーム４６，４７の真上の上部クラッド１３の表面に、薄膜ヒーター５６，５７がそれぞれ形成される。スイッチング動作は、この薄膜ヒーター５６，５７に電力を与えて熱を発生させ、温度上昇による導波路屈折率の変化で行う。入力ポート１Ａから入力した光信号は、２本の導波路アーム４６，４７間での光路が同相の場合に、出力ポート２Ｂから出力し、２本の導波路アーム４６，４７間での光路が逆相の場合に、出力ポート１Ｂから出力する。光スイッチの特性として、光が遮断されるべき状態で光が漏れてくるクロストークが小さいのが望ましい。

本実施形態の導波型光スイッチの詳細な配置構成は以下の通りである。導波路アーム４６，４７は曲率半径５ｍｍの円弧を２個、点対称に接続して構成したＳ字カーブ導波路と長さ２ｍｍの直線導波路で構成されている。薄膜ヒーター５６，５７は直線導波路の上部に形成されている。一方の薄膜ヒーターからの熱がもう一方の導波路アームに影響を及ぼさないように、導波路アーム４６，４７は２５０μｍ離されている。導波型マッハ・ツェンダー干渉計４３の対称性を保って良好なスイッチング動作を得るために、２つの方向性結合器４１，４２は互いの中心軸が一直線に並ぶように配置されている。２つの方向性結合器４１，４２が配置されている点Ｐ，Ｑの距離は５．１ｍｍである。

従来の導波型光スイッチでは、方向性結合器４１において原理上避けられない導波モード不整合があり、そのために光の約１％の光パワーが散逸し、そのまま放射光として、上部クラッド１３と下部クラッド１１の中を伝搬する。この放射光の一部が後段の方向性結合器４２で再結合し、遮断状態にすべき出力ポートから漏れる。これがクロストークとなる。

これに対し、本実施形態では、第１の実施形態と同様に、上部クラッド１３の屈折率を下部クラッド１１の屈折率よりも低くしているので、方向性結合器４１の放射光の大部分が下部クラッド１１側に逃げる。このため、遮断状態の出力ポートのクロストークを抑圧することが可能となる。

第２の実施形態の導波型光スイッチの詳細な構造は以下の通りである。下部クラッド１１は、厚さ３ｍｍのシリコン基板１０の上にＦＨＤ法（火炎堆積法）で堆積された厚さ２００μｍの石英系ガラスであり、添加物としてＧｅＯ_２を４ｍｏｌ％、Ｂ_２Ｏ_３を１ｍｏｌ％含有する。下部クラッド１１は純粋な石英ガラスよりも屈折率が０．４％高い。

コア１４は、厚さ６μｍで、ＧｅＯ_２が１１ｍｏｌ％、Ｂ_２Ｏ_３が１ｍｏｌ％含有する石英系ガラスで形成されている。このコア１４の下部クラッド１１に対する比屈折率差Δは０．７％である。

上部クラッド１３は、厚さ２０μｍで、Ｐ_２Ｏ_５が６ｍｏｌ％、Ｂ_２Ｏ_３が１７ｍｏｌ％の石英系ガラスで形成されている。ΔＮＯ／ΔＮＵ＝１．３である。

薄膜ヒーター５６，５７は、厚さ１０００Åで、クロムを用いている。

以上のように構成した第２の実施形態の導波型光スイッチにおける、入力ポート１Ａ（または２Ａ）と出力ポート２Ｂ（または１Ｂ）の間の光信号の透過率のスイッチング特性を図８に示す。横軸は導波路アーム４６，４７間の位相差であり、縦軸は透過率である。一方の薄膜ヒーター５６に加える電力量を調整することにより、上記位相差が設定される。

透過率は位相差が０において−１ｄＢであるが、位相差がπｒａｄで−５８ｄＢまで減少した。従って、クロストークは−５７ｄＢである。

本実施形態に対する比較対照例として、ΔＮＯ／ΔＮＵ＝１の光スイッチのスイッチング特性を図９に示す。この場合の透過率は位相差０では−１ｄＢであるが、位相差πｒａｄでは−４０ｄＢである。従って、比較対照例のクロストークは−３９ｄＢで、第２実施形態の導波型光スイッチと比較して、−１８ｄＢ劣化している。

図１０は、導波型光スイッチにおける、入力ポート１Ａ（または２Ａ）と出力ポート２Ｂ（または１Ｂ）間のスイッチングクロストークとΔＮＯ／ΔＮＵの値の関係を示す。図１０の白丸は、ΔＮＯ／ΔＮＵ＝０．７, １．０, １．１, １．３, １．５, １．７の場合の結果を示している。下部クラッド１１の厚さはすべて２００μｍである。図１０から、ΔＮＯ／ΔＮＵが１以下ではクロストークが大きいが、ΔＮＯ／ΔＮＵが１よりも大きくなるとクロストークは−５５ｄＢ以下と十分抑圧されるのが分かる。しかし、ΔＮＯ／ΔＮＵが１．５よりも大きいと挿入損失が増大した。

図１１は導波型光スイッチにおける、入力ポート１Ａ（または２Ａ）と出力ポート２Ｂ（または１Ｂ）間のスイッチングクロストークと下部クラッド１１の厚さの関係を示す。図１１の白丸は、下部クラッド１１の厚さが３０μｍ, ５０μｍ，１００μｍ，１５０μｍ，２００μｍ，２５０μｍの結果を示している。すべてΔＮＯ／ΔＮＵ＝１．３である。図１１から分かるように、図１０でΔＮＯ／ΔＮＵ≦１．０の場合よりも、クロストークが抑圧されており、下部クラッド１１に放射光を逃がした効果が現れている。特に、下部クラッド１１の厚さが２００μｍ以上において、クロストークは−５５ｄＢ以下と十分抑圧されているので、下部クラッド１１の厚さは２００μｍ以上が好ましい。

（第３の実施の形態）
本発明が適用される光スプリッタの構成要素は、上述したようなＹ分岐回路に限定されるものではなく、他の光分岐結合回路、例えばＸ分岐回路や方向性結合器、多モード干渉回路を用いても構成できる。

図１２（Ａ）は、本発明の導波型光回路の第３の実施形態である、多モード干渉回路を用いた光スプリッタの構成例を示す平面図である。周知のように、多モード干渉（ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ： ＭＭＩ）回路は一つの回路で複数の出力に光パワーを等分配することができる。Ｙ分岐回路よりも動作波長域が狭いといる欠点があるが、２^Ｎ（Ｎは１以上の整数）以外の分岐構成が容易に得られる点が特長である。本実施形態の光スプリッタは、１入力３出力の多モード干渉回路６１に３個のＹ分岐回路２２，２３，および２４を接続して構成された６分岐光スプリッタである。１×３多モード干渉回路６１は、周知のように、入力ポート１Ａに入力された光を同じパワーを有する３つの光に等分配する。分配された３つの光はそれぞれのＹ分岐回路２２，２３，および２４によりさらに２分岐されて、６つの出力ポート１Ｂ〜６Ｂから出力される。

本実施形態の６分岐光スプリッタの断面構造は、基本的に、図１（Ｂ）に示した第１の実施形態の場合と同様であって、上部クラッド１３の屈折率を下部クラッド１１の屈折率よりも低くしている。また、その他の構成上の特徴も第１の実施形態と同様である。

図１２（Ｂ）は、本実施形態の６分岐光スプリッタの、各出力のポートを透過する光信号の挿入損失のスペクトルを示す。挿入損失を全出力ポート間で測定波長にわたって平均した値（平均損失）は、８．１ｄＢであった。全出力ポート間で測定波長にわたる挿入損失の最大値と最小値の差（損失偏差）は、０．２ｄＢであった。

クロストーク抑制等のその他の特性は、第１の実施形態とほぼ同様であるので、その詳細説明は省略する。

（第４の実施の形態）
図１３（Ａ）は、本発明の導波型光回路の第４の実施形態である、Ｘ分岐回路を用いた導波型波長分別フィルタの構成例を示す平面図である。図１３（Ｂ）はその導波型波長分別フィルタにおける入力光信号の波長に対する透過特性を示す。

本実施形態の導波型波長分別フィルタは、前段のＸ分岐回路の２本の出力導波路と後段のＸ分岐回路の２本の入力導波路とをつないだ導波型マッハ・ツェンダー干渉計４３を基本構成とする。本実施形態では、Ｘ分岐回路として、２本のコア４５，４６を互いに交差させた２つのＸ分岐回路６２，６３が使用される。周知のように、Ｘ分岐回路は交差部近傍で一方のコアを他方のコアよりも細くして非対称な構造をとることにより、波長依存性が小さい光分岐結合回路となる。そのため、本実施形態のように、動作波長範囲の広い導波型波長分別フィルタに適している。また、波長１．３１μｍと波長１．５５μｍを分別するために、導波路アーム４６の長さが導波路アーム４７の長さより、３．２μｍ長く設定されている。

本実施形態の場合も、上部クラッド１３の屈折率を下部クラッド１１の屈折率よりも低くしている。また、その他の構成上の特徴も第１、第２の実施形態と同様である。

入力ポートから入力された入力光の波長によって出力ポートが切り替わる。すなわち、図１３（Ｂ）に示すように、入力ポート１Ａから入力した光信号は、２本の導波路アーム４６，４７間での光信号の波長が１．３１μｍの場合に、出力ポート２Ｂから出力し、２本の導波路アーム４６，４７間での光信号の波長が１．５５μｍの場合に、出力ポート１Ｂから出力する。

挿入損失やクロストーク抑制等のその他の特性については、第２の実施形態とほぼ同様であるので、その詳細説明は省略する。

（他の実施の形態）
以上、本発明の導波型光回路を詳細な実施形態に基き具体的に説明したが、本発明は、上記の各実施形態で開示された特定の構成に限定されるものではない。すなわち、光分岐結合回路として、導波型マッハ・ツェンダー干渉計も含まれる。同様に、導波型光スイッチの基本構造である導波型マッハ・ツェンダー干渉計の構成要素は、方向性結合器に限定されるものではなく、他の光分岐結合回路、例えばＹ分岐回路やＸ分岐回路、多モード干渉回路を用いても構成できる。また、導波型マッハ・ツェンダー干渉計は、導波型光スイッチ、導波型可変減衰器、導波型変調器、導波型波長分別フィルタなどの導波型光回路を構成できる。また、本発明の第１の実施形態は、下部クラッドに石英基板を用いて説明したが、他のガラス基板で同様の効果が得られることは明らかである。さらに、本発明の第１および第２の実施形態は、石英系ガラス導波路を用いて説明したが、導波路材料はガラスに限定されるものではなく、シリコンなどの半導体やポリマーでも同様の効果を得ることができる。

また、特許請求の範囲に記載の範囲内であれば、その構成部材等の置換、変更、追加、個数の増減、形状の設計変更等の各種変形は、全て本発明の実施形態に含まれる。

本発明の第１の実施形態である４分岐光スプリッタを説明する図で、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）中の左図は（Ａ）の切断線ＢＢ′で切断した断面図、（Ｂ）中の右のグラフは左図の切断線ＣＣ′での屈折率分布を示す特性図、（Ｃ）は縦列して配設される２つのＹ分岐回路間（（Ａ）の切断線ＰＱ）で切断した断面図である。 本発明の第１の実施形態である４分岐光スプリッタの製造方法を工程順に説明する断面図である。 本発明の第１の実施形態である４分岐光スプリッタの特性を説明する図で、（Ａ）はその各出力のポートを透過する光信号の挿入損失のスペクトルを示す特性図、（Ｂ）はその光信号の偏波依存損失（ＰＤＬ）のスペクトルを示す特性図である。 本発明の第１の実施形態の第１の比較対照例である４分岐光スプリッタの特性を説明する図で、（Ａ）はその各出力のポートを透過する光信号の挿入損失のスペクトルを示す特性図、（Ｂ）はその光信号のＰＤＬのスペクトルを示す特性図である。 本発明の第１の実施形態の第２の比較対照例である４分岐光スプリッタの特性を説明する図で、（Ａ）はその各出力のポートを透過する光信号の挿入損失のスペクトルを示す特性図、（Ｂ）はその光信号のＰＤＬのスペクトルを示す特性図である。 本発明の第１の実施形態である４分岐光スプリッタにかかわる、（Ａ）は屈折率差の比ΔＮＯ／ΔＮＵと平均損失の関係、（Ｂ）は屈折率差の比ΔＮＯ／ΔＮＵと損失偏差の関係、（Ｃ）は屈折率差の比ΔＮＯ／ΔＮＵと最大ＰＤＬの関係をそれぞれ示す特性図である。 本発明の第２の実施形態である導波型光スイッチの構造を説明する図で、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）は（Ａ）の切断線ＢＢ′で切断した断面図である。 本発明の第２の実施形態である導波型光スイッチにおける、入力ポートと出力ポートの間の光信号の位相差に対する透過率のスイッチング特性を示すグラフ図である。 本発明の第２の実施形態の比較対照例である導波型光スイッチにおける、入力ポートと出力ポートの間の光信号の位相差に対する透過率のスイッチング特性を示すグラフ図である。 本発明の第２の実施形態である導波型光スイッチにかかわる、屈折率差の比ΔＮＯ／ΔＮＵとクロストークの関係を示すグラフ図である。 本発明の第２の実施形態である導波型光スイッチにかかわる、下部クラッドの厚さとクロストークの関係を示すグラフ図である。 本発明の第３の実施形態である多モード干渉回路を用いた６分岐光スプリッタを説明する図で、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその挿入損失の特性を示すグラフ図である。 本発明の第４の実施形態であるＸ分岐を用いた導波型波長分別フィルタを説明する図で、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその透過特性を示すグラフ図である。 従来の導波型光回路である４分岐光スプリッタの構造を説明する図で、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）中の左図は（Ａ）の切断線ＢＢ′で切断した断面図、（Ｂ）中の右のグラフは左図の切断線ＣＣ′での屈折率分布を示す特性図、（Ｃ）は縦列して配設される２つのＹ分岐回路間（（Ａ）の切断線ＰＱ）で切断した断面図である。 従来の導波型光回路の製造方法を工程順に説明する断面図である。

符号の説明

１Ａ，２Ａ 入力ポート
１Ｂ，２Ｂ，３Ｂ，４Ｂ，５Ｂ，６Ｂ 出力ポート
１０ 平面基板
１１ 下部クラッド
１２ コア層
１３ 上部クラッド
１４ コア
２１，２２，２３，２４ Ｙ分岐回路
２５ 分岐導波路
２６ 分岐回路２１からの放射光
４１，４２ 方向性結合器
４３ 導波型マッハ・ツェンダー干渉計
４４，４５ コア
４６，４７ 導波路アーム
５１ エッチングマスク
５２ コアリッジ
５６，５７ 薄膜ヒーター
６１ 多モード干渉回路
６２，６３ Ｘ分岐回路

Claims (8)

1. 下部クラッドと、該下部クラッドの上面に配設されたコアと、該コアを覆う上部クラッドとで構成された導波路構造を有し、第１と第２の少なくとも２つの光分岐結合回路で構成されている導波型光回路において、
   前記第１と第２の光分岐結合回路が導波光と放射光が結合する構造を有し、該第１の光分岐結合回路の出力導波路に該第２の光分岐結合回路の入力導波路が接続されており、
   前記第１の光分岐結合回路の位置を特定する点をＰとし、前記第２の光分岐結合回路の位置を特定する点をＱとし、前記第１の光分岐結合回路の中心軸と線分ＰＱが交差する鋭角をθ１とし、前記第２の光分岐結合回路の中心軸と線分ＰＱが交差する鋭角をθ２とすると、
   ｜ θ １ ｜ ≦ ０ ． １ r a d および
   ｜ θ ２ ｜ ≦ ０ ． １ r a d および
   ｜ θ １ ＋ θ ２ ｜ ≦ ０ ． １ r a d
   が成立し、前記線分ＰＱの長さが１０ｍｍ以下であるように、前記第１の光分岐結合回路と前記第２の光分岐結合回路が配置されており、
   前記第１の光分岐結合回路の放射光が前記下部クラッドを伝搬することにより前記第２の光分岐結合回路で導波光と再結合しないように、前記上部クラッドの屈折率が前記下部クラッドの屈折率よりも低くされていることを特徴とする導波型光回路。
2. 前記コアと前記下部クラッドとの屈折率の差（ΔＮＵ）に対する、前記コアと前記上部クラッドとの屈折率の差（ΔＮＯ）の比（ΔＮＯ／ΔＮＵ）が１よりも大きく、かつ１．５以下であることを特徴とする請求項１に記載の導波型光回路。
3. 前記下部クラッドの厚さが２００μｍ以上で、かつ５０００μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし２のいずれかに記載の導波型光回路。
4. 前記下部クラッドが石英ガラス基板であり、前記上部クラッドに硼素または弗素が添加された石英系ガラスであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の導波型光回路。
5. 前記第１と第２の光分岐結合回路のうち少なくとも１つは、Ｙ分岐回路、またはＸ分岐回路、または方向性結合器、または多モード干渉回路のいずれかであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の導波型光回路。
6. Ｙ分岐回路、またはＸ分岐回路、または方向性結合器、または多モード干渉回路のいずれかを任意の組合せで少なくとも２段以上で縦列接続して構成された光スプリッタを含むことを特徴とする請求項５に記載の導波型光回路。
7. Ｙ分岐回路、またはＸ分岐回路、または方向性結合器、または多モード干渉回路を任意の組合せで２ヶ対向させた導波型マッハ・ツェンダー干渉計を含むことを特徴とする請求項５に記載の導波型光回路。
8. 前記導波型マッハ・ツェンダー干渉計を用いて構成された導波型光スイッチ、導波型可変減衰器、導波型変調器、導波型波長分別フィルタのいずれかを含むことを特徴とする請求項７に記載の導波型光回路。
   

Images